第3章卫星通信链路设计.

1第3章卫星通信链路设计3.1接收机输入端的载噪比3.2卫星通信链路的C/T3.32链路传播特性星际链路：只考虑自由空间传播损耗星-地链路：由自由空间传播损耗和近地大气的各种影响所确定3卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，影响电波传播的因素很多。热层（热电离层）（Thermosphere）80-500km中间层（Mesosphere）50-80km平流层（Stratosphere）16-50km对流层（Troposphere）7-16km外逸层（Exosphere）500-64,374km4传播问题物理原因主要影响衰减和天空噪声增加大气气体、云、雨大约10GHz以上频率信号去极化雨、冰结晶体C和Ku频段的双极化系统折射和大气多径大气气体低仰角跟踪和通信信号闪烁对流层和电离层折射扰动对流层：低仰角和10GHz以上频率电离层：10GHz以下频率反射多径和阻塞地球表面及表面上物体卫星移动业务传播延迟、变化对流层和电离层精确的定时、定位卫星通信系统的传播问题51、6卫星通信工作频段及电波传播特点1.6.1工作频段的选择工作频段主要考虑电离层的反射、吸收；对流层的吸收、散射损耗等因数与频率的关系。67一般工作频段选择在1G~10G；最理想的频率在4~6G。91.6.2电波传播的特点1、自由空间的传播损耗卫星通信中电波的损耗主要有自由空间的传播损耗和大气损耗。由于卫星一般位于3~4万千米的太空，所以主要考虑自由空间传播的损耗。在自由空间传播过程中，接收信号的功率为：PT为天线发射功率；GT为发射天线增益；AR为接收天线开口面积；GR为接收天线增益。自由空间传播损耗为：以分贝为单位表示为：式中d为地球站到静止卫星的距离，可以取d=40000km电磁波在传播过程中除了与距离的平方呈反比衰减外，还要受大气因数（如水分、电离层等）的影响，而衰减。各种因数的影响见下图：11下图为雨、雾、云引起的损耗：13卫星通信系统的主要技术参数等效全向辐射功率（EIRP）定义：地球站或卫星的天线发射功率P与该天线增益G的乘积。表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率。EIRP=P·G，或EIRP(dBW)=P(dBW)+G(dB)噪声温度（Te）定义：将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声，温度以绝对温度K计。噪声温度（Te）与噪声系数(NF）的关系为：NF=10lg(1+Te/290)dB品质因素（G/Te）定义：天线增益与噪声温度的比值。G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)14天线增益的计算公式卫星移动通信系统中的天线增益可以按下式进行计算：(2-3)式中，A是天线口面的有效面积(m2)，是工作波长（m），为天线效率，Ae为接收天线有效面积。其中=c/f，c为光速，取值为3*108(m/s)。(2-3)式作变换，则2244(2-3)eAGA22244AfGAc15例一计算频率为6GHz时，口径3m的抛物面天线的增益。（天线效率为0.55）解：根据29228461030.55231010lg42.9(dB)GGG16一、星-地链路传播特性卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中最主要的是自由空间传播损耗，它占总损耗的大部分。其它损耗还有大气、雨、云、雪、雾等造成的吸收和散射损耗等。卫星移动通信系统还会因为受到某种阴影遮蔽(例如树木、建筑物的遮挡等)而增加额外的损耗，固定业务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一额外的损耗。自由空间传播损耗自由空间电波传播是无线电波最基本、最简单的传播方式。自由空间是一个理想化的概念，为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境。17图2-1以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量2'(2-1)4trPPd18自由空间传播损耗计算公式电波从点源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面上。如用定向天线，电波将向某一方向会聚，在此方向上获得增益，那么到达接收点的信号功率为：其中：PT为发射功率;GT为发射天线增益;GR为接收天线增益；Lf为自由空间传播损耗。TTRRfPGGPL2244(2-5)fddfLcd为传播距离，为工作波长，C为光速，f为工作频率。Lf通常用分贝表示，当d用km、f用GHz表示时，又可以表示为92.4420lg20lg(dB)(2-8)fLdf19例二卫星和地面站之间的距离为42,000km。计算6GHz时的自由空间损耗。解：根据公式（2-8），Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46(dB)92.4420lg20lg(dB)(2-8)fLdf20功率密度的计算公式功率密度（功率通量密度）是指发射功率经过空间传播到达接收点后，在单位面积内的功率。可以表示为（2-1）式。（2-2）式中，PT为天线的发射功率（W），GT为发射天线的增益，d为自由空间传播距离。''22(W/m)(2-2)4ttrGPPd21例三卫星的EIRP值为49.4dBW，计算卫星离地面距离为40000km时，地面站的功率密度。解：根据式（2-1），4.94''222104.33(pW/m)443.1416400001000TTrGPPd''22(W/m)(2-1)4ttrGPPd地面站的功率密度为22接收信号功率的计算公式若接收信号的有效接收面积为A·，则接收到的功率为：若用接收天线增益（式2-3）来表示，上式可以改写为：''24TTRrGPPPAAd2(2-4)4RTTRPGPGd2244(2-3)ReAGA23卫星通信系统从发端地球站到收端地球站的信息传输过程中，要经过上行链路、卫星转发器和下行链路。上行链路的信号质量(如误码性能)取决于卫星收到的信号功率电平和卫星接收系统的噪声功率电平大小。下行链路信号的质量取决于收端地球站接收到的信号功率电平和地球站接收系统的噪声功率电平的大小。24图2-2自由空间损耗与传播路径长度的关系92.4420lg20lg(dB)(2-8)fLdf25卫星通信系统线路的设计与计算1）、卫星通信系统线路的要求：保证通信质量，使接收到的射频载波功率必须远大于噪声功率。2）设计的主要内容：通过对解调前载波功率与等效噪声温度之比C/T的计算，设计通信链路。264.1传输方程图4-1绘出与链路设计有影响的、一个网络的主要组成部分。由信号的始发站到终点站，从无线电链路设计的目标来看，可以划分为：地球站~卫星链路(或上行链路)；卫星；卫星~地球站(或下行链路)三部分。27图4-1用于端对端链路设计的、从信号始发站到终点站的无线电链路划分284.1.2传输方程传输方程是设计无线电链路的基础。这个方程描述发送地球站发送的射频功率，与接收地球站收到的射频信号功率、传输频率、和发射机到接收机之间距离的关系。29传输方程为：C=PTGTGR(λ/4πd)2用分贝形式表示有：C(dBW)=PT(dBW)+GT(dB)+GR(dB)–20lg(4πd/λ)30GRS,TUPS,GSLULDPT,GTGR,TD单向空间链路示意图3.4卫星通信线路载波功率与噪声功率比的计算311、载波功率计算上行载波功率CS（即卫星接收端输入率）载波功率C下行载波功率CE（即地球接收端输入率）载波功率与发射功率PT、发射天线增益GT、接收天线增益GR成正比，与各种损耗L成反比。用分贝功率表示为：[C]=[EIRP]+[GR]-[L]（dBW）式中EIRP=PTGT（W）或[EIRP]=[PT]+[GT]（dBW）EIRP称为有效全向辐射功率，是指卫星和地球站发射天线在波束中心轴向上辐射的功率。323.1.1接收机输入端的载波功率卫星或地球站接收机输入端的载波功率一般称为载波接收功率，记做C，［C］以dBW(以1瓦为零电平的分贝)为单位，由式(1-6)可得［C］=［EIRP］＋［GR］－［LP］(3-1)其中，［GR］为接收天线的增益(dBi)，［LP］为自由空间损耗(dB)，［EIRP］为发射机的有效全向辐射功率(dBW)。3.1接收机输入端的载噪比33若考虑发射馈线损耗［LFT］(dB)，由式(1-9(b))，则有效全向辐射功率［EIRP］为［EIRP］=［PT］－［LFT］＋［GT］(3-2)若再考虑接收馈线损耗［LFR］(dB)、大气损耗［La］(dB)、其它损耗［Lr］(dB)，则接收机输入端的实际载波接收功率［C］(dBW)可以表示为［C］=［PT］－［LFT］＋［GT］＋［GR］－［LP］－［LFR］－［La］－［Lr］(3-3)34例3．1已知IS—W号卫星作点波束1872路运用时，其有效全向辐射功率[EIRP]S＝34．2dBW，接收天线增益GRS＝16．7dB。又知某地球站有效全向辐射功率[EIRP]E＝98．6dBW，接收天线增益GRE＝60.0dB，接收馈线损耗LFRE＝0.05dB。试计算卫星接收机输入端的载波接收功率Cs和地球站接收机输入端的载波接收功率CE。解：若上行线路工作频率为6GHz，下行线路工作频率为4GHz，距离d=40000km，则利用(1.3)式可求得上行线路传输损耗Lu为：[Lu]=92.44+20lg40000+20lg6=200．04（dB）下行线路传输损耗LD为:[LD]＝92.44+20lg40000+20lg4=196．52（dB）35利用(3．5)式(忽略La、Lr和LFRS)求得卫星接收机输入端的载波接收功率Cs为：[Csl=[EIRP]E十[GRS]一[Lu]＝一84.74dBW地球站接收机输入端的载波接收功率CE(忽略La和Lr)为：[CE]＝[EIRP]s十[GRE]一[LD]一[LFRS]＝-102．37dBW363.1.2接收机输入端的噪声功率在卫星通信链路中，地球站接收到的信号是极其微弱的。特别是在地球站中，由于使用了高增益天线和低噪声放大器，使接收机内部的噪声影响相对减弱。因此外部噪声的影响已不可以忽略，即其它各种外部噪声也应同时予以考虑。地球站接收机的噪声来源如图3-1所示，可分为外部噪声和内部噪声两大类。37图3-1地球站接收机的噪声源382、噪声功率的计算1）、噪声功率如果接收系统输入端匹配，则各种外部噪声和天线损耗噪声综合在一起，进入接收系统的噪声功率应为Na=kTaB式中，Na为进入接收系统的噪声功率；Ta为天线的等效噪声温度；B为接收系统的等效噪声带宽；k为波尔兹曼常数2）、等效噪声温度将环境温度为T0时放大器内部噪声在输出端产生的噪声功率折算到输入端热噪声在输出端产生同样大小的噪声功率时所对应的绝对温度Te，叫做等效噪声温度。393.1.3接收机输入端的载噪比与地球站性能因数模拟通信系统的输出信噪比，数字通信系统中的传输速率和误码率，均与接收系统的输入信噪比有关。卫星通信也是这样。由于在卫星通信系统中，其接收机收到的不是调频信号就是数字键控信号，因此接收机收到的信号功率可以用其载波功率C来表示。对于调频信号，载波功率等于调频信号各个频谱分量的功率之和；而对于数字键控信号，载波功率就是其平均功率。40根据前面已经求出的接收机输入端的载波功率和噪声功率，可以直接列出接收机输入端的载波噪声功率比为(3-5)以分贝(dB)表示为(3-6)式中，有效全向辐射功率［EIRP］=［PT·GT］=［PT］＋［GT］。BkTLGGPNCtPRTT1BkTGLNCtRPlg10EIRP411.卫星转发器接收机输入端的［C/N］S对于上行链路，地球站为发射系统，卫星为接收系统。设地球站有效全向辐射功率为［EIRP］E，上行链路自由空间传输损耗为LPU，卫星转发器接收天线的增益为GRS，卫星转发器接收系统的馈线损耗为LFRS，大气损耗为［La］，则卫星转发器接收机输入端的载噪比［C/N］S为(3-7)式中，TS为